近日，北京生命科学研究所董梦秋实验室、中科院生物物理所苗龙实验室以及计算所pFind研究组在国际著名杂志PNAS上在线发表题为 “Nematode sperm maturation triggered by protease involves sperm-secreted serine protease inhibitor (Serpin)”的论文，文章揭示了线虫精细胞的激活机制和精子竞争的机制。
线虫纲（nematode）物种包括雌雄同体的秀丽线虫（C. elegans）和雌雄异体的猪蛔虫（Ascaris suum）的精细胞在形成之后需要被激活，从圆形的、不能游动的精细胞变成用伪足爬行的、有受精能力的精子。未活化的精细胞体内有大量的叫做membranous organelles (MO) 的小泡。小泡的内容物在精子活化过程中通过胞吐（exocytosis）释放到细胞外。如果胞吐被抑制，精细胞则不能被活化。究竟什么分子被MO包裹，然后释放到胞外，它们的功能是什么，一直是未解之谜。在这篇文章中，作者通过多种实验手段，包括经典的生物学纯化和一种新的基于质谱的肽段从头测序方法，发现猪蛔虫的精细胞在活化过程中释放出一个丝氨酸蛋白酶的抑制因子（命名为As_SRP-1）。进一步研究发现该蛋白被排放后执行了两种功能：（1）As_SRP-1结合到已经活化或开始活化的精子表面，维持伪足细胞骨架的动态组装；如果As_SRP-1的结合被破坏，精子的运动能力便随之丧失。（2）As_SRP-1抑制一个由输精管末端分泌的、活化精细胞的丝氨酸蛋白酶。因该蛋白酶与胰蛋白酶（Trypsin）相似，被命名为As_TRY-5。通过抑制As_TRY-5，As_SRP-1阻碍周围的精细胞被活化。这可能是猪蛔虫精子竞争的一种方式。现有的遗传学证据提示，通过蛋白酶和蛋白酶抑制因子调节精子活化或精子竞争的机制在秀丽线虫中很可能是保守的。另外，其它动物比如小鼠的精液里也有蛋白酶和蛋白酶抑制剂，所以类似的调节机制可能广泛存在。
这篇文章的一个技术亮点是不依赖于蛋白数据库的肽段从头测序（de novo sequencing）。以前的从头测序效果欠佳，鲜有实际应用。为了此项研究的需要，董梦秋实验室与中科院计算所贺思敏研究组共同开发了肽段从头测序的质谱实验流程和算法，达到了与数据库搜索相当的鉴定效果（Chi H. et al.， J. Proteome Res. 2010）。本文中的两个蛋白As_SRP-1和As_TRY-5都是用肽段从头测序技术pNovo鉴定到的，表明pNovo足以支持生物学研究，尤其是对于新蛋白（序列未被收纳到现有数据库中）的鉴定有极大的帮助。
生物物理所赵艳梅博士是本文第一作者。董梦秋博士与生物物理所苗龙博士为本文的共同通讯作者。参与本研究工作的还有我所董梦秋实验室的博士生张攀、宋春青、和杜立林实验室的张美俊；中科院计算所贺思敏教授和博士生迟浩；生物物理所的孙维、马轩、尚云龙、汪斌、胡攸乔、孟凡霞；ThermoFisher Scientific的Dr. Zhiqi Hao和Dr. Andreas F. Huhmere；以及Emory University的Dr. Steven W. L’Hernault。杜立林博士指导了肽段的BLAST search。科技部、国家自然科学基金委员会、中科院、和北京市政府提供了科研资助。（生物谷Bioon.com）
doi:10.1073/pnas.1109912109
PMC:
PMID:
Nematode sperm maturation triggered by protease involves sperm-secreted serine protease inhibitor (Serpin)
Yanmei Zhaoa, Wei Suna,b,1, Pan Zhangc,1, Hao Chib,d,1, Mei-Jun Zhangc,1, Chun-Qing Songc, Xuan Maa, Yunlong Shanga,b, Bin Wanga, Youqiao Hua,b, Zhiqi Haoe, Andreas F. Hühmere, Fanxia Menga, Steven W. L'Hernaultf, Si-Min Hed, Meng-Qiu Dongc,2, and Long Miaoa,2
Spermiogenesis is a series of poorly understood morphological, physiological and biochemical processes that occur during the transition of immotile spermatids into motile, fertilization-competent spermatozoa. Here, we identified a Serpin (serine protease inhibitor) family protein (As_SRP-1) that is secreted from spermatids during nematode Ascaris suum spermiogenesis (also called sperm activation) and we showed that As_SRP-1 has two major functions. First, As_SRP-1 functions in cis to support major sperm protein (MSP)-based cytoskeletal assembly in the spermatid that releases it, thereby facilitating sperm motility acquisition. Second, As_SRP-1 released from an activated sperm inhibits, in trans, the activation of surrounding spermatids by inhibiting vas deferens-derived As_TRY-5, a trypsin-like serine protease necessary for sperm activation. Because vesicular exocytosis is necessary to create fertilization-competent sperm in many animal species, components released during this process might be more important modulators of the physiology and behavior of surrounding sperm than was previously appreciated.
